基于2種變速變槳距方法的雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率控制

朱 瑛，程 明，花 為，王 偉

（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引言

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的2種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)［1］。這2種系統(tǒng)在理論與實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)：一方面，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦控制，且變頻器容量只需風(fēng)機(jī)額定功率的1/3左右，但由于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較低，雙饋發(fā)電機(jī)需要使用齒輪箱來增速，而齒輪箱易出現(xiàn)故障，導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)成本增大；另一方面，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率較高，且省去了齒輪箱，增加了系統(tǒng)可靠性，但缺點(diǎn)是需要全功率電力電子變換器，且電機(jī)的體積重量都較大，設(shè)計(jì)安裝較困難。此外，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都通過變頻器并網(wǎng)，使輸出電能的諧波增加，對電網(wǎng)造成一定的污染。同時(shí)由于風(fēng)能的隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸入電網(wǎng)功率將隨機(jī)變化，對大電網(wǎng)穩(wěn)定性造成一定影響。

針對上述傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，文獻(xiàn)［2-3］提出了一種基于電氣無級(jí)變速器的雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)DPF-WECS（Dual Power Flow Wind Energy Conversion System）。該系統(tǒng)通過一種雙機(jī)械端口DMP（Dual Mechanical Port）電機(jī)實(shí)現(xiàn)了無級(jí)變速，即電氣無級(jí)變速器EVT（Electrical Variable Transmission）［4-6］，從而可取代機(jī)械增速齒輪箱。在DPF-WECS中，風(fēng)力機(jī)與DMP電機(jī)的外轉(zhuǎn)子連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子直接與普通同步發(fā)電機(jī)相連。若能控制內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒定（同步速），即可實(shí)現(xiàn)恒壓恒頻的電能輸出。此系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最薄弱的齒輪箱環(huán)節(jié)，且同時(shí)提供機(jī)械功率流和電功率流，雙功率流可優(yōu)化功率配置，提高風(fēng)能利用率。此外，由于此系統(tǒng)由同步發(fā)電機(jī)直接輸出三相電至電網(wǎng)，不經(jīng)過變頻器，因此電能諧波小、質(zhì)量高。

目前，大型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常見的控制策略為在額定風(fēng)速以下，保持風(fēng)力機(jī)槳距角不變，使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤控制。在額定風(fēng)速以上，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速附近，通過調(diào)節(jié)槳距角使發(fā)電機(jī)組輸出額定功率［7-12］。而對于本文所研究的DPF-WECS，目前國內(nèi)外仍處于起步階段，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多圍繞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電機(jī)本體設(shè)計(jì)、電磁特性等［13-14］，對該系統(tǒng)的變速變槳距等功率控制尚未涉及。因此，本文的研究目標(biāo)為通過提出有效的變速變槳距功率控制策略，使DPF-WECS在全風(fēng)速范圍內(nèi)工作在最佳運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電效率。上述問題的解決對該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)際意義。

本文首先分析了DPF-WECS的工作原理，給出了電氣無級(jí)變速器電機(jī)的數(shù)學(xué)模型；其次提出了2種在全風(fēng)速范圍內(nèi)的變速變槳距控制策略，即基于功率PID變槳距及葉尖速比法的最大風(fēng)能跟蹤TSRMPPT（Tip Speed Ratio Maximum Power Point Tracking）功率控制和基于轉(zhuǎn)速PID變槳距及電流給定法的最大風(fēng)能跟蹤C(jī)G-MPPT（Current Given Maximum Power Point Tracking）功率控制；然后基于MATLAB/Simulink工具箱，建立了一套10kW的DPF-WECS在2種功率控制策略下的仿真模型并完成了仿真研究。為使仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)更接近，選擇了電機(jī)本體部分與系統(tǒng)控制部分不同采樣率的多采樣率仿真模式，最后的仿真結(jié)果驗(yàn)證了2種功率控制策略的有效性并通過比較其優(yōu)缺點(diǎn)，表明基于轉(zhuǎn)速PID變槳距及CG-MPPT的功率控制策略更適合于該新型DPFWECS。

1 DPF-WECS工作原理與數(shù)學(xué)模型

1.1 DPF-WECS工作原理

DPF-WECS原理圖如圖1所示，其中作為無級(jí)調(diào)速器的DMP電機(jī)由永磁外轉(zhuǎn)子、繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子和繞線式定子組成，外轉(zhuǎn)子位于定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子之間。外轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機(jī)相連，而內(nèi)轉(zhuǎn)子與同步發(fā)電機(jī)相連。由風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化過來的機(jī)械功率傳遞路徑分為2路：一是機(jī)械功率流，即以機(jī)械功率的形式，內(nèi)外轉(zhuǎn)子通過電磁場耦合傳遞能量；二是電功率流，即通過外轉(zhuǎn)子與定子耦合，由定子繞組、變頻器、內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組、滑環(huán)來傳遞能量。

圖1 DPF-WECS結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of DPF-WECS

由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速而變化，導(dǎo)致DMP電機(jī)的外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷變化。然而，通過控制內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組電流頻率可使內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持恒定，即保證與之相連的同步發(fā)電機(jī)以恒定同步速工作，從而可輸出恒頻恒壓的三相正弦交流電。

1.2 DPF-WECS能量傳遞

下面就圖1所示的雙功率流給出具體的能量傳遞關(guān)系，分析中假設(shè)系統(tǒng)無損耗。

風(fēng)力機(jī)輸入功率Pm1：

其中，Tm1是永磁外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩，ωo是外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子輸出功率Pm2：

其中，Tm2是內(nèi)轉(zhuǎn)子的輸出轉(zhuǎn)矩，ωi是內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

定子繞組輸出的外氣隙電磁功率Pes：

外轉(zhuǎn)子通過電磁場耦合的機(jī)械功率Pd：

其中，Tf1是定子與外轉(zhuǎn)子間的外氣隙轉(zhuǎn)矩，Tf2是外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子的內(nèi)氣隙轉(zhuǎn)矩，因此有Tm1=Tf1+Tf2。

由對DPF-WECS的原理分析，可得輸入功率平衡關(guān)系式：

假設(shè)儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的功率為Pbs，變換器傳遞給內(nèi)轉(zhuǎn)子的功率為Pei，則輸出功率關(guān)系為：

當(dāng)風(fēng)能輸入功率大于內(nèi)轉(zhuǎn)子輸出功率時(shí)，DPFWECS功率流向如圖2（a）所示，定子繞組輸出的功率一部分被存儲(chǔ)在電池中，另一部分則傳遞給了內(nèi)轉(zhuǎn)子；當(dāng)風(fēng)能輸入功率小于內(nèi)轉(zhuǎn)子輸出功率時(shí)，DPFWECS功率流向如圖2（b）所示，定子繞組輸出的功率不足以滿足內(nèi)轉(zhuǎn)子要求，此時(shí)電池將給內(nèi)轉(zhuǎn)子提供功率。

圖2 DPF-WECS功率流向Fig.2 Power flow of DPF-WECS

1.3 DMP 電機(jī)數(shù)學(xué)模型［15］

DMP電機(jī)的數(shù)學(xué)模型在文獻(xiàn)［15］有詳細(xì)推導(dǎo)過程，在此只給出結(jié)果。

在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，DMP電機(jī)的電壓方程為：

其中，rs和rr分別為定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的電阻，ωo和 ωi分別為外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，isd、isq、ird、irq為dq坐標(biāo)系下定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的電流，λsd、λsq、λrd、λrq為dq坐標(biāo)系下定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈。

DMP電機(jī)外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分別為：

其中，np為DMP電機(jī)的極對數(shù)，λmo和λmi分別為外轉(zhuǎn)子外層和內(nèi)層永磁體產(chǎn)生的磁鏈。

2 DPF-WECS變速變槳距功率控制策略

DMP電機(jī)包含一個(gè)繞線式定子、一個(gè)內(nèi)外都貼有永磁體的外轉(zhuǎn)子和一個(gè)繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子。在電機(jī)建模時(shí)，可將定子和外轉(zhuǎn)子的組合視為一臺(tái)外永磁同步電機(jī)，而外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子視為一臺(tái)內(nèi)永磁同步電機(jī)，即DMP電機(jī)等效為2臺(tái)有聯(lián)系的永磁同步電機(jī)（同一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子）。此外，由于DMP電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子與同步發(fā)電機(jī)相連，為使發(fā)電機(jī)輸出恒頻恒壓的電能，需要使內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持恒定的同步速。而外轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機(jī)相連，轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化，為了能使系統(tǒng)風(fēng)能利用率最高，在低于額定風(fēng)速時(shí)需對系統(tǒng)進(jìn)行變速控制，跟蹤最大風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速大于額定值時(shí)，為保證機(jī)組不過載，需進(jìn)行變槳距功率控制。

2.1 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)從風(fēng)能中捕獲的機(jī)械功率可以表示為：

其中，ρ為空氣密度；R為風(fēng)力機(jī)葉輪半徑；v為風(fēng)速；Cp為風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)，是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β的函數(shù)；ωr為發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度。

風(fēng)能利用系數(shù) Cp（λ，β）的經(jīng)驗(yàn)近似計(jì)算公式為［16］：

根據(jù)式（16），可得到 Cp（λ，β）曲線如圖 3 所示。從圖3可看出，風(fēng)力機(jī)槳距角為0°時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp值可達(dá)到最大，而當(dāng)槳距角逐漸變大時(shí)，Cp相應(yīng)的最大值不斷減小，即風(fēng)能利用率不斷降低。當(dāng)風(fēng)速小于額定值時(shí)，使風(fēng)力機(jī)槳距角保持在0°，并實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，使風(fēng)能利用率最高。當(dāng)風(fēng)速大于額定值時(shí)，需調(diào)整風(fēng)力機(jī)的槳距角，降低風(fēng)能利用系數(shù)，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及系統(tǒng)輸出功率維持在額定值。

圖3 風(fēng)力機(jī)的 Cp（λ，β）曲線Fig.3 Cp（λ，β） curve of wind turbine

2.2 內(nèi)轉(zhuǎn)子控制

本系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)子控制可分為離網(wǎng)和并網(wǎng)2種情況，內(nèi)轉(zhuǎn)子在系統(tǒng)離網(wǎng)情況下控制目標(biāo)為控制內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩則可通過給定值決定。而當(dāng)系統(tǒng)并網(wǎng)后，內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速根據(jù)電網(wǎng)頻率固定，其控制目標(biāo)發(fā)生變化，將根據(jù)電網(wǎng)需求控制內(nèi)轉(zhuǎn)子的輸出功率，這可通過控制內(nèi)轉(zhuǎn)子的q軸電流實(shí)現(xiàn)。本文提出了內(nèi)轉(zhuǎn)子離網(wǎng)下的控制策略，2種變速變槳距功率控制方法中內(nèi)轉(zhuǎn)子的控制策略保持不變，其控制框圖如圖4和5所示，圖中ωg為同步發(fā)電機(jī)的同步速。

圖4 功率PID變槳距及TSR-MPPT控制框圖Fig.4 Block diagram of power PID pitch control with TSR-MPPT

圖5 轉(zhuǎn)速PID變槳距及CG-MPPT控制框圖Fig.5 Block diagram of speed PID pitch control with CG-MPPT

本文中所選取的與內(nèi)轉(zhuǎn)子直接機(jī)械耦合的普通同步發(fā)電機(jī)的極對數(shù)為3，則內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需維持在1000 r/min（我國交流電工頻為 50 Hz）。由于蓄電池容量有限，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不可能無限制對其充放電，因此根據(jù)不同的平均風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)能吸收的最大功率，合理給定系統(tǒng)輸出功率值，使蓄電池充放電功率在允許范圍內(nèi)。為讓系統(tǒng)輸往電網(wǎng)功率更平滑、穩(wěn)定，并考慮系統(tǒng)損耗，給定系統(tǒng)合理的輸出功率時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩給定如表1所示。

表1 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩給定Tab.1 Torque demand of inner rotor

2.3 功率PID變槳距及TSR-MPPT控制

當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)不向變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出變槳距命令，只進(jìn)行變速運(yùn)行實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可視為定槳距運(yùn)行。與風(fēng)機(jī)相連的外轉(zhuǎn)子，采用TSR-MPPT法對其進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，即根據(jù)風(fēng)速v和最佳葉尖速比λopt，由式（15）計(jì)算出最佳轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，使風(fēng)力機(jī)工作在最佳狀態(tài)，控制框圖如圖4所示。圖中，if環(huán)節(jié)是根據(jù)最佳轉(zhuǎn)速值與額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系，選擇外轉(zhuǎn)子給定轉(zhuǎn)速值。當(dāng)最佳轉(zhuǎn)速值小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，外轉(zhuǎn)子給定轉(zhuǎn)速即為最佳轉(zhuǎn)速；當(dāng)最佳轉(zhuǎn)速值大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，外轉(zhuǎn)子給定轉(zhuǎn)速為額定值ωN。

當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，吸收風(fēng)能功率也超過額定值。此時(shí)為了保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需通過變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變風(fēng)機(jī)槳距角，從而改變風(fēng)能利用系數(shù)，使輸出功率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都保持在額定值。功率PID變槳距控制是在高于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)通過PID控制器對定子繞組輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖4所示。將定子繞組輸出功率經(jīng)過一個(gè)低通濾波器（LPF）濾波后與給定額定功率比較，PID輸出結(jié)果經(jīng)過閾值控制后經(jīng)LPF濾波，給出槳距角的參考值β，然后變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)指令進(jìn)行變槳距。此時(shí)對外轉(zhuǎn)子的給定轉(zhuǎn)速由最佳轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變?yōu)轭~定轉(zhuǎn)速ωN。其中LPF可濾去功率中的高頻毛刺，使槳距角控制更平滑。

2.4 轉(zhuǎn)速PID變槳距及CG-MPPT控制

當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)不進(jìn)行變槳距動(dòng)作，對外轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)電流給定的MPPT控制，控制框圖如圖5所示。圖中，if環(huán)節(jié)是根據(jù)最佳轉(zhuǎn)矩值與額定轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，選擇外轉(zhuǎn)子給定轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)最佳轉(zhuǎn)矩值小于額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，外轉(zhuǎn)子給定轉(zhuǎn)矩即為最佳轉(zhuǎn)矩；當(dāng)最佳轉(zhuǎn)矩值大于額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，外轉(zhuǎn)子給定轉(zhuǎn)矩為額定值TN。

根據(jù)式（14）和（15），風(fēng)力機(jī)吸收的最大風(fēng)能為：

其中，λopt為最佳葉尖速比，Cpmax為最大風(fēng)能利用系數(shù)，ωopt為最佳轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式（17），可得風(fēng)力機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為：

對于DMP電機(jī)，外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩可認(rèn)為由兩部分組成，一部分由內(nèi)外轉(zhuǎn)子電磁耦合直接傳遞給內(nèi)轉(zhuǎn)子，另一部分則是用來提供給定子繞組輸出電功率，因此對由外轉(zhuǎn)子和定子組成的外永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩可表示為：

其中，ψf為外電機(jī)的永磁磁鏈，Ld、Lq為外電機(jī)的 d軸和q軸電感，id、iq為外電機(jī)的d軸和q軸電流。

當(dāng)采用id=0的控制方法時(shí)，轉(zhuǎn)矩Tf1則僅由iq決定。式（19）可簡化為：

而當(dāng)給定最大的q軸電流時(shí)，也就給定了最大轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。根據(jù)式（18）及式（20），給定最大q軸電流可表示為：

當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，如圖5所示，轉(zhuǎn)速PID變槳距控制將外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比較，PID輸出結(jié)果經(jīng)過閾值控制，再經(jīng)LPF濾波，得到槳距角的參考值β。此時(shí)外電機(jī)的給定q軸電流將不再由最佳轉(zhuǎn)矩Tmax給定，而是由額定轉(zhuǎn)矩TN給定，此額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算過程分析如下。定子繞組輸出額定功率可以表示為：

根據(jù)表1，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)恒定輸出10 kW電能，此時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩Tm2為95.5 N·m。由式（17）及式（22）可計(jì)算得系統(tǒng)能吸收的最大風(fēng)能功率為13.3 kW，風(fēng)力機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩為384.4 N·m，對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速為 330 r/min，即外電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TN=384.4-95.5=288.9 （N·m），定子繞組則輸出額定功率10 kW。

3 DPF-WECS仿真及分析

3.1 仿真參數(shù)

為驗(yàn)證提出的變速變槳距控制策略的有效性，基于MATLAB/Simulink工具箱，建立了DPF-WECS功率控制仿真模型。同時(shí)為使系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近，文中對仿真模型采用多采樣率仿真模式。由于電機(jī)是一個(gè)連續(xù)的整體，而控制部分中采樣等環(huán)節(jié)因受開關(guān)頻率等限制，是一個(gè)離散的系統(tǒng)，因此對仿真模型作一定處理，使系統(tǒng)整體采用連續(xù)仿真模式，即保證了電機(jī)部分仿真的連續(xù)性，而控制部分則設(shè)定采樣頻率為20 kHz。

文中選取的風(fēng)力機(jī)參數(shù)如下：槳葉半徑為2.84 m，空氣密度為1.225 kg/m3，最佳葉尖速比為8.1，最佳風(fēng)能利用系數(shù)為0.48，額定風(fēng)速為12 m/s。DMP電機(jī)樣機(jī)額定功率為10 kW，其余參數(shù)如表2所示。

表2 樣機(jī)參數(shù)Tab.2 Parameters of prototype

3.2 仿真結(jié)果

仿真中，首先給定階躍風(fēng)速，使風(fēng)速每秒突變一次，0～7s內(nèi)風(fēng)速分別設(shè)定為 11m /s、12.5m /s、13m /s、13.5 m /s、13 m /s、10 m /s、8 m /s。對應(yīng)的仿真結(jié)果如圖6—9所示。

圖6 DMP電機(jī)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Fig.6 Outer rotor speed of DMP machine

圖7 風(fēng)力機(jī)槳距角Fig.7 Pitch angle of wind turbine

圖8 風(fēng)能利用系數(shù)CpFig.8 Power coefficient Cp

圖9 DMP電機(jī)定子輸出功率Fig.9 Stator output power of DMP machine

如圖6所示，在2種變速變槳距控制策略下，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都能實(shí)時(shí)跟蹤最佳給定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則恒定在330 r/min，即維持額定轉(zhuǎn)速不變。圖7為風(fēng)機(jī)槳距角波形圖，可看出2種變槳距控制策略都能實(shí)現(xiàn)槳距控制，且槳距角波動(dòng)較小，變槳距效果良好。圖8為風(fēng)能利用系數(shù)Cp波形，風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)能利用率降低，風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)保持最大的風(fēng)能利用率0.48。圖9顯示了系統(tǒng)定子輸出功率，風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)定子輸出功率維持在額定功率10 kW，而當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)則輸出最大風(fēng)能，2種控制方法下的功率輸出都較平穩(wěn)。從而看出，2種方法都能很好地實(shí)現(xiàn)變槳距控制。

上述結(jié)果為DPF-WECS在階躍風(fēng)速下的仿真分析。為了更準(zhǔn)確地測試2種變速變槳距控制策略的性能，進(jìn)一步利用專業(yè)軟件Turbsim生成平均風(fēng)速為11 m/s的隨機(jī)風(fēng)速對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖10—12所示。

圖10 隨機(jī)風(fēng)速下DMP電機(jī)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Fig.10 Outer rotor speed of DMP machine under stochastic wind speed

圖11 隨機(jī)風(fēng)速下風(fēng)能利用系數(shù)CpFig.11 Power coefficient Cpunder stochastic wind speed

圖12 隨機(jī)風(fēng)速下DMP電機(jī)定子輸出功率Fig.12 Stator output power of DMP machine under stochastic wind speed

圖10—12可看出轉(zhuǎn)速PID變槳距及CG-MPPT控制下的外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及定子輸出功率更平滑，而功率PID變槳距及TSR-MPPT控制下雖然轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)跟蹤最佳轉(zhuǎn)速更精確，但毛刺也更大，尤其是在風(fēng)速波動(dòng)較大時(shí)定子輸出功率非常不平穩(wěn)，對整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不利。根據(jù)仿真結(jié)果，可看出在隨機(jī)風(fēng)速下，轉(zhuǎn)速PID變槳距及CG-MPPT策略能有效減緩轉(zhuǎn)速波動(dòng)，并使功率輸出較平穩(wěn)，可降低系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)力。

綜合上述結(jié)果，2種變速變槳距功率控制策略優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。由此可見，轉(zhuǎn)速PID變槳距及CG-MPPT功率控制策略優(yōu)勢較明顯，更適用于新型DPF-WECS，同時(shí)這種控制策略也可為其他風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所借鑒。

表3 2種控制策略比較Tab.3 Comparison of two control strategies

2種不同的變速變槳距控制策略下，內(nèi)轉(zhuǎn)子控制不變。內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形如圖13、14所示，可以看出當(dāng)外界風(fēng)速變化時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終穩(wěn)定于1000 r/min，而系統(tǒng)采用的同步發(fā)電機(jī)是3對極，因此可使發(fā)電機(jī)輸出頻率恒定為50 Hz的交流電。內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，對應(yīng)于不同的外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（即不同風(fēng)速），轉(zhuǎn)矩值與表1給定相一致。從而可見，內(nèi)轉(zhuǎn)子的控制效果與預(yù)期一致。

圖13 DMP電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Fig.13 Inner rotor speed of DMP machine

圖14 DMP電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩Fig.14 Inner rotor torque of DMP machine

4 結(jié)論

本文針對基于電氣無級(jí)變速器的DPF-WECS，提出了2種變速變槳距功率控制方法，即功率PID變槳距及TSR-MPPT功率控制和轉(zhuǎn)速PID變槳距及CG-MPPT功率控制。仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)速PID變槳距控制及CG-MPPT控制策略更優(yōu)越，其既不需檢測外界風(fēng)速，也不需檢測定子輸出功率，在控制策略中需要的只是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中功率輸出平穩(wěn)，變速變槳距效果良好。這一功率控制策略為DPF-WECS的應(yīng)用及發(fā)展提供了保證，同時(shí)也適用于其他風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具有較高的研究及實(shí)用價(jià)值。